CN107586805A

CN107586805A - 综合利用生物秸秆的五联产工艺

Info

Publication number: CN107586805A
Application number: CN201711085529.8A
Authority: CN
Inventors: 晁广钦
Original assignee: Linying Ruth Biological Technology Co Ltd
Current assignee: Linying Ruth Biological Technology Co Ltd
Priority date: 2017-11-07
Filing date: 2017-11-07
Publication date: 2018-01-16

Abstract

本发明公开了一种综合利用生物秸秆的五联产工艺，旨在解决扩大秸秆利用规模的技术问题。该工艺由三条路线组成：第一条路线生产低聚木糖：生物秸秆粉碎，通蒸汽蒸煮，经压滤后过超滤膜‑1，再经酶解反应后过超滤膜‑2，所得渗透液进行纳滤浓缩3～5倍，得低聚木糖；第二条路线是生产草浆和木质素磺酸钠，生物秸秆粉碎，与废渣一起进行加压高温蒸煮，所得浆液进行压滤分离，分离后所得固形物经过逆流清洗后得麦草浆；分离后所得黑液和洗涤黑水蒸发浓缩，然后通过热风进行热交换，得木质素磺酸钠粉体；第三条路线是生产生物炭和可燃裂解气。本发明在所产生经济效益显著的前提下，对环境友好，无废水零排放、无固体废弃物、废气达标排放。

Description

综合利用生物秸秆的五联产工艺

技术领域

本发明涉及生物化工技术领域，具体涉及一种综合利用生物秸秆的五联产工艺。

背景技术

在我国，每年夏秋收之际，总有大量的小麦、玉米秸秆在田间焚烧，不仅造成雾霾，污染了环境，同时也造成了严重的资源浪费。小麦、玉米等生物秸秆是一种具有多用途的生物质资源，秸秆含有纤维素、半纤维素、木质素、粗蛋白、酶等有机物，还含有氮、磷、钾、钙、镁等营养元素。

例如，生物秸秆可以直接用作食草动物的饲料，但适口性较差，采食量少。一般经过秸秆氨化处理后，粗蛋白由3%～4%提高到8%左右，有机物的消化率提高10～20个百分点，并含有多种氨基酸，可以代替30%～40%的精饲料。还可杀死草籽，防止霉变。秸秆也可以粉碎成糠，作动物辅助饲料。

但是饲用存在的问题主要为：一是生物秸秆蛋白质等营养成分低，纤维素含量高，营养转化率低，反刍动物不宜过多食用，只能作为饲养反刍动物的补充饲料；二是养殖业对秸秆的品质要求比较高，要求干燥、不能霉变；三是秸秆饲料化主要是自产自用、自贮自用，而专业化工业化加工市场化利用模式尚处于起步阶段，没有充分发展；四是下游粪污能源化和肥料化利用不足，对上下游进行整合集成的一体化模式少，生物秸秆养畜的综合效益有待提高。

秸秆还田对增加土壤有机质、提高土地综合肥效和生产能力，起到了重要的作用。近年来，通过推广机械粉碎直接还田，我国秸秆还田比率逐年提高。机械进行秸秆还田还可以提高农业的生产效率，减轻农业的劳动强度，节约时间，解决劳动力不足问题。然而机械收获费用高，且由于秸秆收储利用需求过低，农民和农机手并不以提高秸秆收集率作为作业目标。

而且秸秆直接还田的弊端也是显而易见的：a、若植物本身有病菌、虫害，秸秆还田会将病菌埋伏地下，易诱发下茬庄稼再生病害；b、直接还田秸秆太多，导致腐熟速度慢，将会影响下茬庄稼发芽、生根等；c、秸秆碳氮比高，直接施到土壤微生物会争夺氮元素造成与植物争氮的不良现象，导致农作物初期黄苗；d、未经发酵的秸秆中的氮、磷、钾、硫、镁等植物性肥料元素在秸秆中多以结合状态存在，不能被植物吸收利用。

秸秆还可堆肥还田，堆肥还田主要是在田间地头挖积肥凼，将农作物秸秆堆成垛，添加适量的家畜粪尿或污泥等，调整碳氮比和水分，或者添加菌种和酶，使秸秆发酵生成有机肥。然而存在的问题是基本以个体家庭为单位，加上劳动力不足，没有形成规模。

秸秆还可过腹还田，秸秆过腹还田是对秸秆经过一定的物理、化学或生物方法处理制成饲料，饲喂牛、马、羊等大牲畜，并将其粪便还田。秸秆过腹还田是目前我省畜禽养殖集中区秸秆还田普遍采用的方式，多种秸秆均可实施过腹还田，秸秆饲喂牛、羊、马等牲畜后，以畜粪尿施入土壤，既可以解决人畜争粮的矛盾，又能实现秸秆综合利用。然而存在的问题是大型牛羊养殖场数量较少且分散，规模养殖比重低。

秸秆还可用来做秸秆生物反应堆，秸秆生物反应堆主要是通过微生物反应堆进行发酵生产CO₂，对农作物进行气体施肥，技术方便简单，运行成本低廉，增产增收效果明显，适用于温室大棚瓜果、蔬菜等经济作物种植，是蔬菜种植区秸秆还田的有效方式。转化为清洁能源，效果十分明显。然而存在的问题是大棚蔬菜种植区面积极小且分散，秸秆利用比重低。

此外，秸秆也可以通过制浆造纸、沼气、固化成型燃料、热解气化、直燃发电等方式利用。

生物秸秆是较好的造纸原料，可以缓解木浆纸原料紧张的局面。目前小麦秸秆造纸技术成熟，发展态势良好，是秸秆工业化利用最好的秸秆类型。重点提升现有草浆企业，加强秸秆制浆新技术的研究和产业化，采用清洁生产技术规模化适度发展草浆，积极推进清洁制浆工艺技术研发，促进秸秆造纸企业产业化，生态化开发道路。然而秸秆综合利用生产规模普遍偏小，技术水平低，经济效益差。

秸秆能源化利用还存在诸多问题，主要表现在：a是生物质发电利用秸秆比重偏低；目前，全国现有的秸秆发电厂年可消耗秸秆近4000万吨，实际利用秸秆量约1800万吨；b是秸秆热解气化和“炭气油”联产工程普遍存在着规模偏小、产品档次低等方面的问题，尤其是秸秆气化集中供气工程；c是秸秆固化成型虽已形成560万吨的产能规模，但因专用炉具不配套等因素，年实际利用秸秆量不到200万吨。

综上所述，目前迫切需要围绕实现保护生态和环境，并以扩大秸秆利用规模和提高秸秆利用经济效益为核心，来全面促进秸秆的资源化、商品化、产业化，带动农民增收、农村经济发展和环境改善。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种综合利用生物秸秆的五联产工艺。可联产低聚木糖、草浆、木质素磺酸钠、可燃裂解气和生物炭。

为解决上述技术问题，本发明的技术思路如下：

提高秸秆综合利用水平的关键是明确秸秆利用的主导方式，本发明的工艺立足于生物秸秆三大组成物质（纤维素、半纤维素和木质素），采用不同工艺组合来实现综合利用，部分半纤维素酶解生成低聚木糖，纤维素及部分半纤维素生成麦草浆，木质素通过反应生成木质素磺酸钠，在原料制备过程产生的糠渣（灰分、麦糠、粗蛋白等）在气化炉内将有机质裂解，生成可燃裂解气及生物炭。

具体的说，本发明采用如下技术方案：

设计一种综合利用生物秸秆的五联产工艺，包括如下步骤：

（1）制备低聚木糖：生物秸秆粉碎，得纤维长度为20～55mm的碎秸秆和纤维长度为0～20mm的糠渣；将所述碎秸秆经除尘后汇总得汇总物-1和汇总物-2；将汇总物-1加烧碱后进行低温蒸煮；将所述低温蒸煮所得物经挤浆和压滤后得滤液和废渣；将所述滤液经超滤-1得超滤液-1和透过液-1；将所述超滤液-1经酶水解得水解液；将所述水解液经超滤-2得超滤液-2和截留液-1；将所述超滤液-2经纳滤得截留液-2和透过液-2；所述截留液-2可液体包装得低聚木糖溶液，或经蒸发浓缩-1和喷雾干燥-1后得低聚木糖粉；

（2）制备草浆和木质素磺酸钠：将所述汇总物-2、所述废渣、透过液-1、截留液-1、和透过液-2加烧碱和亚硫酸钠后进行高温蒸煮；将所述高温蒸煮所得物经除渣和压滤后进行逆流洗涤得黑液和草浆；将所述黑液经蒸发浓缩-2和喷雾干燥-2后得木质素磺酸钠粉；

（3）制备生物炭和可燃裂解气：将所述纤维长度为0～20mm的糠渣经气化裂解后得生物炭和可燃裂解气；所述可燃裂解气可经热风炉燃烧得热风；所述热风为所述喷雾干燥-1或喷雾干燥-2中的至少一种提供热量。

优选的，所述蒸发浓缩-1和所述蒸发浓缩-2所得蒸馏水可循环利用于所述高温蒸煮。

优选的，在所述步骤（1）中，所述低温蒸煮时烧碱百分比控制为6%～8%，液比控制为6.5～7：1，时间控制为50～60min，温度控制为90～100℃。

优选的，在所述步骤（1）中，所述低温蒸煮时的压力控制为0.1～0.15 MPa。

优选的，在所述步骤（2）中，所述高温蒸煮时烧碱百分比控制为4%～6%，亚硫酸钠百分比控制为14～17%，液比控制为3～4：1，时间控制为30～40min，温度控制为150～165℃。

优选的，在所述步骤（2）中，所述高温蒸煮时的压力控制为0.8～1.0 MPa。

优选的，在所述步骤（3）中，所述糠渣为生物秸秆粉碎过筛所得灰分、麦糠、粗蛋白中的至少一种。

优选的，在所述步骤（3）中，所述气化裂解时的气化剂为空气。

优选的，在所述步骤（3）中，所述气化裂解时的温度控制为700～850℃，裂解时间≤10s。

优选的，在所述步骤（3）中，所述可燃裂解气的热值为900～1500 kcal/kg。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果在于：

1. 本发明中各分支工艺相互支持、配合，可联产出低聚木糖、草浆、木质素磺酸钠、可燃裂解气和生物炭，最大化秸秆利用规模和提高了秸秆利用率。

2. 本发明第一条工艺路线与第二条工艺路线的衔接及物料分配主要依据是生产低聚木糖的过程产生的水要全部返回到生产麦草浆的蒸煮过程，保证零排放有，利于经济发展和环境改善。

3. 本发明生物质气化反应温度低，可避免生物质燃料燃烧过程中发生灰的结渣、团聚等运行难题。

4. 本发明第三条工艺主线与第二条工艺主线的衔接主要是热平衡，热源不足时由小部分生物秸秆补充，实现可持续生产。

5. 本发明在燃烧过程生成的二氧化碳基本与生物质生长过程光合作用所吸收的二氧化碳达到碳平衡，可以有效的减少温室气体的排放。

6. 本发明在所产生经济效益显著的前提下，对环境友好，无废水零排放、无固体废弃物、废气达标排放。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。

在以下实施例中所涉及的仪器设备如无特别说明，均为常规仪器设备；所涉及的工业原料和试剂如无特别说明，均为市售常规工业原料；所涉及的工艺方法，如无特别说明，均为常规方法。

实施例一：综合利用生物秸秆的五联产工艺流程简述：

五联产工艺技术的实现原料均是生物秸秆，如图1所示，由三条主工艺路线组成，三条主工艺路线的物料相互利用，最终达到综合利用的目的。

工艺路线1：

第一条路线是生产低聚木糖。生物秸秆经过粉碎、筛选，纤维长度为30～50mm,的粉碎秸秆进入皮带1，经辊式除尘器后汇总，加碱加水，控制碱液浓度、液比和时间，通蒸汽在90～95℃之间蒸煮，蒸煮时烧碱百分比控制为7%，液比控制为6.5～7：1，时间控制为60min，压力为0.1～0.15 MPa。

半纤维素的吸湿性和润胀性都较纤维素低，其聚合度又较纤维素低，半纤维素更易水解降解，使其聚合度降低，部分以多糖（木聚糖）的形式进入溶液，在蒸煮过程中半纤维素蒸煮液经过鼓式挤浆机压滤（废渣返回另一条工艺路线上继续深度蒸煮生成麦草浆），提取液经过的超滤膜1，（把没有参与反应的烧碱过滤掉返回到另一条工艺路线上作为蒸煮用碱），截留液中含有的半纤维素（主要成分为木聚糖）在酶解罐中发生酶解反应生成低聚木糖，通过超滤膜2，把高分子的木聚糖截留，渗透液（含有小分子的低聚木糖）纳滤浓缩3～5倍，得到10%左右浓度的低聚木糖，进行液体的真空分装。由于低聚木糖粉剂极易吸潮，根据用户需求生产粉剂。

工艺路线2：

第二条路线是生产草浆和木质素磺酸钠。生物秸秆的粉碎筛选制备与生产低聚木糖共用，秸秆与生产低聚木糖的废渣一起进行加压高温蒸煮，蒸煮的目的是用亚硫酸钠与木素作用，生产木质素磺酸钠溶于蒸煮液中而溶出，从而分离纤维，制取麦草浆。高温蒸煮时烧碱百分比为4%，亚硫酸钠百分比位15%，液比控制为3～4：1，时间控制为30～40min，温度控制为150～165℃，压力为0.8～1.0 MPa。

蒸煮液配置需求的碱及水部分来自生产低聚木糖返回的废液，蒸煮之后的浆进行压滤分离，固形物经过多次逆流清洗，固形物即麦草浆。固液分离的黑液和不同浓度的洗涤黑水一起蒸发浓缩，浓度达到35%左右与干燥塔的热风（来自第三条工艺主线产物之一可燃裂解气燃烧）迅速进行热交换，水分蒸发，粉体计量包装。第一条工艺主线与第二条工艺主线的衔接及物料分配主要依据是生产低聚木糖的过程产生的水要全部返回到生产麦草浆的蒸煮过程，保证零排放。

工艺路线3：

第三条工艺主线是生物秸秆粉碎过筛过程产生的糠渣（灰分、麦糠、粗蛋白等）进行气化处理。气化裂解时的温度控制为700～850℃，裂解时间≤10s。

生物质气化是指固态生物质原料在高温下部分氧化的转化过程。该过程直接向生物质通气化剂，生物质在缺氧的条件下转变为小分子可燃气体，可燃裂解气的热值为900～1500 kcal/kg。所用气化剂不同，得到的气体燃料也不同。用空气作为气化剂，产生的气体主要作为燃料。生物质气化反应温度低，可避免生物质燃料燃烧过程中发生灰的结渣、团聚等运行难题。

工艺中的反应：

基本反应包括固体燃料的干燥、热解反应、还原反应和氧化反应四个过程。温度升高到300℃以上时开始发生热解反应。热解是高分子有机物在高温下吸热所发生的不可逆裂解反应。大分子碳氢化合物析出小麦秸秆中的挥发物，只剩下残余的炭。热解反应析出挥发分主要包括水蒸气、H₂、CO、CH₄、焦油及其他碳氢化合物。

气化裂解气在热风炉燃烧产生热气体用于第二工艺主线的喷雾干燥部分提供热风。残余的炭（含炭量为45%左右）即为生物炭，是生产炭基肥、复混肥的主要原料。第三条工艺主线与第二条工艺主线的衔接主要是热平衡，热源不足时由小部分生物秸秆补充。

实施例二：综合利用生物秸秆的五联产工艺的环境效益分析

第一条工艺主线生产低聚木糖过程的废水（超滤-1的透过液、超滤-2的截留液、纳滤的透过液）返回第二条路线配制碱液，该废水量为整个五联产工艺中综合利用废水不外排的核心指标.

固体废弃物作为原料返回第二条路线继续进行蒸煮，该固体废弃物利用不影响该路线的实施。

低聚木糖喷雾干燥工段产生的废气经过旋风除尘和布袋除尘组合满足达标排放。

根据工艺计算，以小麦秸秆为例，第二条工艺路线年利用小麦秸秆10万吨计，第一条工艺路线年生产低聚木糖100吨产生的废水满足第二条工艺路线的配碱需求。年生产低聚木糖产量100吨产生的废水为该项目水平衡的平衡点，在此产量情况下，废水全部利用不外排。年生产低聚木糖100吨以上则需要设置废水处理装置。

第二条工艺路线生物秸秆及生产低聚木糖废渣蒸煮之后挤压进行固液分离，固体部分就是商品草浆（含植物纤维35%，其余为水分），液体部分经过蒸发浓缩，浓度达到35%送往干燥塔，水分迅速蒸发到5%以下成为粉状包装，固体物质及为另外一种主要产品木质素磺酸钠。其中生成草浆的产量占秸秆总量的45%，木质素磺酸钠占秸秆总量的55%。

该工艺路线中，固形物均作为商品外售，水分一份作为产品草浆外售，另一部分在干燥过程以水蒸气的形态达标排放大气。

第三条工艺路线糠渣的裂解气化，该路线在缺氧气化过程产生的热量及可燃气在热风炉燃烧，为第二条生产上木质素磺酸钠干燥提供热源，燃烧的最终产物为二氧化碳和水。

生物秸秆为清洁能源，含硫量很低，平均含硫量只有0.38%，而煤的平均含硫量约达1%；在低温燃烧时，秸秆产生的氮氧化物也较少，所以工艺流程中可以不进行脱硫，烟气可直接通过烟囱排入大气。

符合河南工业炉窑大气污染物排放标准（DB41/1066-2015）。

在燃烧过程生成的二氧化碳基本与生物质生长过程光合作用所吸收的二氧化碳达到碳平衡，可以有效的减少温室气体的排放。

实施例三：综合利用生物秸秆的五联产工艺的经济效益分析

第三条工艺路线利用第一、二条工艺路线粉碎过筛过程产生的糠渣（灰分、麦糠、粗蛋白等）裂解气化，糠渣占生物秸秆总量的10%左右，年约10000吨（年利用生物秸秆10万吨计），产生裂解气月1.6×10⁷标准立方，热值1.52×10⁹大卡，折合天然气190万立方，每立方以2.5元计，价值475万元；年产生生物炭约2500吨，每吨按1200元计，价值300万元。

糠渣来源于生物秸秆，每吨秸秆按550元计，每年增效225万元。

第一条工艺路线返回第二条工艺路线固体废弃物（以生产低聚木糖为单位计），每生产一吨低聚木糖，返回固体渣12.5吨，返回废碱（以NaOH计）7.87吨，废水770吨，每吨低聚木糖成本下降4.68万元，年产低聚木糖100吨计，节约成本468万元。

上面结合附图和实施例对本发明作了详细的说明，但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。

Claims

1.一种综合利用生物秸秆的五联产工艺，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的综合利用生物秸秆的五联产工艺，其特征在于，所述蒸发浓缩-1和所述蒸发浓缩-2所得蒸馏水可循环利用于所述高温蒸煮。

3.根据权利要求1所述的综合利用生物秸秆的五联产工艺，其特征在于，在所述步骤（1）中，所述低温蒸煮时烧碱百分比控制为6%～8%，液比控制为6.5～7：1，时间控制为50～60min，温度控制为90～100℃。

4.根据权利要求1所述的综合利用生物秸秆的五联产工艺，其特征在于，在所述步骤（1）中，所述低温蒸煮时的压力为0.1～0.15 MPa。

5.根据权利要求1所述的综合利用生物秸秆的五联产工艺，其特征在于，在所述步骤（2）中，所述高温蒸煮时烧碱百分比控制为4%～6%，亚硫酸钠百分比控制为14～17%，液比控制为3～4：1，时间控制为30～40min，温度控制为150～165℃。

6.根据权利要求1所述的综合利用生物秸秆的五联产工艺，其特征在于，在所述步骤（2）中，所述高温蒸煮时的压力控制为0.8～1.0 MPa。

7.根据权利要求1所述的综合利用生物秸秆的五联产工艺，其特征在于，在所述步骤（3）中，所述糠渣为生物秸秆粉碎过筛所得灰分、麦糠、粗蛋白中的至少一种。

8.根据权利要求1所述的综合利用生物秸秆的五联产工艺，其特征在于，在所述步骤（3）中，所述气化裂解时的气化剂为空气。

9.根据权利要求1所述的综合利用生物秸秆的五联产工艺，其特征在于，在所述步骤（3）中，所述气化裂解时的温度控制为700～850℃，裂解时间≤10s。

10.根据权利要求1所述的综合利用生物秸秆的五联产工艺，其特征在于，在所述步骤（3）中，所述可燃裂解气的热值为900～1500 kcal/kg。